"Συστήματα μέτρησης και παρακολούθησης περιβαλλοντικών ρύπων με τη χρήση τεχνολογίας «Διαδικτύου των Πραγμάτων»"

Η αστική ρύπανση αποτελεί ένα σημαντικό και πολύπλοκο πρόβλημα, μέρος της οποίας είναι οι αέριοι ρύποι. Οι κύριες πηγές των ρύπων είναι τα η βιομηχανία, τα οχήματα, πηγες θερμανσης και άλλες ανθρώπινες δραστηριότητες. Η ανάγκη για αυστηρότερους ελέγχους της ποιότητας του περιβάλλοντος έχει αναγνωρισθεί ευρέως, καθώς αυξημένος αριθμός ασθενειών, ειδικότερα οι αναπνευστικές, αποδίδονται στην μόλυνση του περιβάλλοντος. Σύμφωνα με την Παγκόσμια Οργάνωση Υγείας [1], η ρύπανση του ατμοσφαιρικού αέρα ήταν υπεύθυνη για τον πρόωρο θάνατο 3,7 εκατομμυρίων ανθρώπων κάτω των 60 ετών το 2016. Ο πιο προβληματικός ατμοσφαιρικός ρύπος της Ευρώπης όσον αφορά την ανθρώπινη υγεία είναι σωματίδια [2]. Τα σωματίδια (PM) μπορούν να έχουν σημαντικές επιπτώσεις στην ανθρώπινη υγεία, συμπεριλαμβανομένου του άσθματος, του καρκίνου του πνεύμονα και των καρδιαγγειακών προβλημάτων. Τα σωματίδια με διάμετρο έως 10 μικρομέτρων (PM10) μπορούν να διεισδύσουν στους βρόγχους, ενώ τα σωματίδια με διάμετρο μέχρι 2,5 μικρομέτρων (PM2,5) μπορούν να διεισδύσουν στους πνεύμονες και να εισέλθουν στο κυκλοφορικό σύστημα [3]. Η Διεθνής Υπηρεσία Έρευνας για τον Καρκίνο (IARC) κατέληξε το 2013 στο συμπέρασμα ότι τα σωματίδια είναι καρκινογόνα για τον άνθρωπο [4].

Παρόλο που υπάρχει γενική συναίνεση ότι η ατμοσφαιρική ρύπανση επηρεάζει την ανθρώπινη ζωή και την ευημερία παγκοσμίως, ελάχιστα συνειδητοποιούμε το ρόλο που μπορεί να διαδραματίσει ο καθένας μας για να μετριάσει αυτό το πρόβλημα. Η συνειδητοποίηση απαιτεί κατά κύριο λόγο πρόσβαση σε πληροφορίες, οι οποίες πρέπει να είναι ευρέως διαθέσιμες και εύκολα κατανοητές, όπως απαιτείται από τη Σύμβαση του Aarhus (η οποία προβλέπει το δικαίωμα όλων να λαμβάνει περιβαλλοντικές πληροφορίες που τηρούν οι δημόσιες αρχές) και από τις οδηγίες για την ποιότητα του αέρα / 107 / ΕΚ και 2008/50 / ΕΚ). Ωστόσο, παρόλο που οι πληροφορίες αυτές είναι διαθέσιμες, οι πολίτες δεν είναι γενικά εύκολα προσπελάσιμες. Τα συνήθη προβλήματα που αναφέρθηκαν είναι[5]

• Ανεπαρκή δίκτυα παρακολούθησης της ποιότητας του αέρα σε ορισμένες περιοχές, που συνίστανται σε ανεπαρκή αριθμό σταθμών παρακολούθησης και / ή σε σταθμούς παρακολούθησης ακατάλληλους, παλαιούς και αναξιόπιστους [5] ·
• Η δυσκολία των πολιτών να ερμηνεύουν τα δεδομένα που δημοσιεύονται πολύ καιρό μετά τις παραβιάσεις των οριακών τιμών έχουν συμβεί σε άκρως τεχνικές μορφές.

Ακόμη και όταν οι άνθρωποι γνωρίζουν το προβλημα, συνήθως δεν συσχετίζουν τη δική τους ατομική συμπεριφορά με το αποτελέσματα. Ωστόσο, ο αέρας είναι δημόσιο αγαθό [6]. Ιδιαίτερα για την ατμοσφαιρική ρύπανση είναι συλλογική και όχι ατομική δράση που είναι απαραίτητη για την άμβλυνση του προβλήματος, καθώς ο αέρας που αναπνέουμε είναι κοινός πόρος για όλους.

Οι ηλεκτροχημικοί αισθητήρες έχουν χρησιμοποιηθεί για την παρακολούθηση του CO σε πολλά έργα, συμπεριλαμβανομένων των [7], [8], [9] και [10]. Κατα τους [11] εχουμε αναπτυξη συσκευης με φορητή οθόνη CO, CO2 και O2.

Σύμφωνα με τα [8] και [9], με τη χρήση ηλεκτροχημικών αισθητήρων και αισθητήρων MOx, παρακολούθησαν και τα O3 και NOx στα προαναφερόμενα έργα. Άλλη περίπτωση η ανάπτυξη φορητού αισθητήρα O3 [12] με βάση οξείδιο του βολφραμίου και αισθητήρα NO2. Και κατα το [13] εχουμε παρακολουθηση του Ο3, σε μια μελέτη, με όργανα εγκατεστημένα σε αμαξοστοιχία χρησιμοποιώντας αισθητήρες ημιαγωγών μεταλλικού οξειδίου.

Χαμηλό κόστος, [14] οι πρόοδοι στα ενσωματωμένα συστήματα και οι αισθητήρες αερίου χαμηλού κόστους επιτρέπουν ένα νέα κατηγορία εργαλίων παρακολούθησης της ποιότητας του αέρα. Μια κοινή απάντηση στην ερώτηση "Πόσο καλό είναι τα δεδομένα αισθητήρων χαμηλού κόστους;" [15] είναι "αυτό εξαρτάται". Εξαρτάται από την ερώτηση στην οποία προσπαθείτε να απαντήσετε, ποια δεδομένα σκοπεύετε να συλλέξετε, πώς θέλετε να χρησιμοποιήσετε τα δεδομένα και ποιες υποστηρικτικές μετρήσεις είναι διαθέσιμες. 

Το πλαίσιο εκπόνησης της έρευνας, περιλαμβάνει την ανάλυση ασύρματων δικτύων αισθητήρων, των αρχών σχεδιασμού και των προδιαγραφών των μετρητικών συστημάτων, καθώς επίσης και κατευθύνσεις βασικής έρευνας αλλά και αξιολόγηση εφαρμογών σε πραγματικές συνθήκες. Το Εργαστήριο Ηλεκτρονικών Διατάξεων και Υλικών – ΗΔΥλ έχει συμμετάσχει σε παρόμοια έργα [16], [17], υλοποιώντας διατάξεις, διαθέτοντάς την επιστήμη και τη τεχνογνωσία για το συγκεκριμένο ερευνητικό πεδίο.

Παράλληλα θα αναλυθεί η τοπολογία αλλά και η αρχιτεκτονική που θα υποστηρίζουν τα συγκεκριμένα προς υλοποίηση δίκτυα.

Στόχος της προτεινόμενης έρευνας είναι η ο σχεδιασμός και η ανάπτυξη συστημάτων μέτρησης αερίων ρύπων χαμηλού κόστους με τη χρήση τεχνολογιών διαδικτύου των αντικειμένων.

Τα αποτελέσματα της έρευνας θα εφαρμοστούν σε πραγματικό περιβάλλον για να ενισχύσουν το περιορισμένο δίκτυο μέτρησης αερίων ρύπων στην Αττική τόσο σε επίπεδο πλήθους σταθμών μέτρησης όσο και στη δυνατότητα φορητότητας.

Κατά τη διεξαγωγή της διδακτορικής διατριβής, έχουν ερευνήθεί οι  κατηγορίες των μικροελεγκτών αλλά και των περιφερειακών μονάδων που θα χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή σταθμού ατμοσφαιρικής ρύπανσης. Όσο αφορά τους μικροελεγκτές, παρατηρήσαμε ότι τα STM32 Nucleo Fseries και Lseries έχουν εξαιρετικά χαρακτηριστικά και επιδόσεις, παρουσιάζουν υψηλή δειγματοληψία σε Α / D μετατροπείς (12-bitADC), οκτώ σειριακές (USART) θύρες και αυτό το chipset υποστηρίζει προγραμματισμό over the air (OTA) πρωτόκολλο. Το σημαντικότερο είναι ότι έχει πολύ χαμηλή κατανάλωση ενέργειας. Η έρευνα σε περιφερειακές συσκευές αφορά διασύνδεση ασύρματου δικτύου (WiFi), modem 3G ή 4G (LTE)και δέκτη εντοπισμου θεσης GPS. Αυτές οι διατάξεις έχουν αξιολογηθεί σχετικά με την απόδοση τους και την κατανάλωση ενέργειας.

Επίσης, σημαντική είναι και η αξιολόγηση των αισθητήρων ατμοσφαιρικής ρύπανσης, στο πλαίσιο της έρευνας για χαμηλού κόστους αισθητήρες, εντοπίστηκαν δύο κατασκευαστικές εταιρείες αισθητήρων που έχουν ικανοποιητικά χαρακτηριστικά, οι εταιρείες αυτές είναι η SpecSensors και η Alphasense. Αυτοί οι αισθητήρες αξιολόγηθηκαν με κύρια χαρακτηριστικά την ανάλυση της τιμής μέτρhσης και την χαμηλή κατανάλωση ενέργειας.

Στο κατασκευαστικό μέρος έγιναν δοκιμές μεταξύ μικροελεγκτή και περιφερειακών μονάδων όπως αισθητήρα θερμοκρασίας υγρασίας και gps. Ταυτόχρονα, έχουν πραγματοποιηθεί δοκιμές για τη μετάδοση δεδομένων με συγκεκριμένη δομή σε ένα εξυπηρετητή και αποθηκεύση τους σε βάση δεδομένων.